Гідротрансформатор (гідродинамічний трансформатор) - гідродинамічна передача, що перетворює переданий крутний момент за величиною (і іноді за напрямом). Конструктивною відмінністю гідротрансформатора від гідромуфти є наявність статора (реактора). 

Є одним з елементів гідромеханічних трансмісій та гідропередач, у складі яких застосовується на транспортних машинах із двигуном внутрішнього згоряння. Гідротрансформатори набули широкого поширення в автомобільній техніці, забезпечуючи плавне торкання автомобіля з місця та зменшуючи передачу ударних навантажень від трансмісії на вал двигуна. Найчастіше використовується з АКП чи варіаторами.

Основні параметри гідротрансформатора:

• Активний діаметр – найбільший діаметр робочої порожнини.

• Коефіцієнт трансформації крутного моменту (далі - КТ) — відношення крутного моменту на веденій ланці до крутного моменту на ведучій ланці.

В інформаційних матеріалах про гідротрансформатор зазвичай згадується максимально можливе значення коефіцієнта трансформації, хоча при роботі гідротрансформатора його КТ на різних режимах роботи різний.

• Передатне відношення — відношення частоти обертання веденої ланки до частоти обертання ведучої ланки (завжди менше одиниці).

Будова гідротрансформатора

Будь-який гідротрансформатор складається з:

• осьового лопатевого насоса, жорстко пов'язаного з корпусом гідротрансформатора;

• турбіни, жорстко з'єднаної з веденим валом;

• так званого статора (реактора, направляючого апарату) — спеціальної крильчатки, встановленої на шляху рідини безпосередньо на виході з турбіни.

Усі деталі зібрані у загальному корпусі. Корпус гідротрансформатора зазвичай кріпиться на приводному диску, який у свою чергу кріпиться до колінвала двигуна. Гідротрансформатор наповнений оливою, яка активно перемішується при роботі.

Насосне колесо жорстко пов'язане з корпусом гідротрансформатора, при обертанні колінвалу двигуна воно створює всередині гідротрансформатора потік оливи, що обертає колесо статора (реактора) та турбіну.

Статор закріплений на обгінній муфті (муфті вільного ходу), що дозволяє йому вільно обертатися тільки в один бік (у той самий, в який обертається турбіна). При значній різниці обертів насоса та турбіни статор (реактор) автоматично блокується та передає на насосне колесо більший об'єм рідини. Завдяки статору (реактору) відбувається збільшення крутного моменту до трьох разів при старті з місця.

Турбіна жорстко пов'язана із валом АКП.

Принцип дії гідротрансформатора

При роботі гідротрансформатора рідина розганяється насосним колесом і рухається складною траєкторією, яку можна розділити на дві прості складові: відносну (швидкість спрямована радіально від осі до периферії насосного колеса і від периферії до осі турбінного колеса), переносну (обертання разом з насосним і турбінним колесами). Залежно від співвідношення цих складових гідротрансформатор може працювати різних режимах.

Розрізняють три режими роботи гідротрансформатора:

• Режим трансформації крутного моменту. Співвідношення переносної та відносної швидкостей потоку, що виходить з турбінного колеса, таке, що абсолютна швидкість спрямована на увігнуту поверхню лопаток реактора. На реакторі створюється крутний момент, що прагне провернути його в бік заклинювання муфти вільного ходу. Реактор виявляється нерухомим. При цьому лопатки реактора розвертають відносну складову потоку турбінного колеса так, що його кінетична енергія додається до кінетичної енергії переносного руху, що створює збільшений крутний момент на турбінному колесі. Окремий випадок — стоп-режим, коли нерухоме і турбінне колесо. При цьому в потоці, що виходить з турбінного колеса. практично відсутня переносна складова. При збільшенні частоти обертання турбінного колеса зростає відцентрова сила, що перешкоджає переміщенню потоку з периферії осі турбінного колеса. Кінетична енергія відносної складової потоку, що виходить із турбінного колеса, зменшується. При цьому зменшується коефіцієнт трансформації. Коли він стає близьким до одиниці, гідротрансформатор переходить у режим гідромуфти.

• Режим гідромуфти. Співвідношення відносної та переносної складових стає таким, що абсолютна швидкість потоку, що виходить з турбінного колеса, спрямована на опуклу поверхню лопаток реактора. При цьому створюється крутний момент, що провертає реактор у напрямку розклинювання муфти вільного ходу. Реактор обертається разом із турбінним колесом і змінює напрями відносної складової потоку. Крутний момент із насосного колеса на турбінне передається без зміни.

• Режим блокування. Система керування подає сигнал на блокування фрикційної муфти гідротрансформатора. Насосне та турбінне колеса жорстко з'єднуються та обертаються як одне ціле. У потоку рідини при цьому відсутня відносна складова.

Завдяки тому, що передача крутного моменту всередині гідротрансформатора відбувається без жорсткого кінематичного зв'язку, виключаються ударні навантаження на трансмісію і автомобіль набуває великої плавності ходу. Негативним ефектом гідротрансформатора є проковзування турбінного колеса по відношенню до насосного — це призводить до підвищеного виділення тепла (у деяких режимах гідротрансформатор може виділяти більше тепла, ніж сам двигун) і збільшення витрати палива.

Блокування гідротрансформатора

Для підвищення паливної економічності в конструкцію сучасних гідротрансформаторів вводиться механізм блокування, що дозволяє жорстко зв'язати насос та турбіну. При заблокованому гідротрансформатор АКП працює в режимі жорсткого кінематичного зв'язку двигуна і трансмісії аналогічно МКП. В електронно-керованих АКП момент включення блокування визначає комп'ютер, тому вона може бути включена практично будь-якої миті згідно з керуючою програмою.

АКП, зроблені у XX столітті, включали блокування гідротрансформатора тільки при досягненні досить великої швидкості (понад 70 км/год). Сучасні АКП включають блокування гідротрансформатора за досить низьких швидкостей (від 20 км/год), що дозволяє заощаджувати паливо не тільки під час руху по шосе, але й при міській експлуатації автомобіля. Також блокування гідротрансформатора застосовується, подібно до МКПП, для гальмування двигуном. У цьому випадку подача палива в двигун припиняється на час блокування, вал двигуна обертається за рахунок руху автомобіля.

На муфті блокування встановлюється демпфер крутильних коливань. Він є аналогом двомасового маховика на авто з механічною КПП і покликаний гасити нерівномірність обертання колінчастого валу, мінімізуючи негативний вплив крутильних коливань на деталі коробки передач. Також демпфер пом'якшує момент увімкнення/вимкнення муфти блокування, що робить її роботу для водія непомітною.

Режими роботи муфти блокування:

• Режим проковзування – муфта блокування розімкнена. За допомогою клапана керування робоча рідина подається каналом «В», віджимаючи тим самим клапан від стінки задньої кришки кожуха гідротрансформатора. Олива каналом «Б» відводиться через порожнину всередині валу. Використовується при старті з місця та розгоні. Розмикання муфти блокування гідротрансформатора на вищих передачах дозволяє автомобілю динамічно розганятися без переходу на нижчу ступінь.

• Режим блокування – муфта заблокована. Олива по каналу «А» надходить у порожнину за муфтою, змушуючи поршень притиснутись до задньої кришки кожуха. Сила тертя між фрикційними накладками призводить до зачеплення корпусу гідротрансформатора з турбінним колесом. Муфта замикається переважно під час руху на вищих передачах. На сучасних автомобілях муфта може бути заблокована на будь-якій передачі при частоті роботи двигуна понад 1000 об/хв.

• Режим керованої пробуксовки – муфта працює з невеликим ковзанням. У варіантах конструкції, що не обладнані демпфером, режим використовується для гасіння крутильних коливань. У такому разі між турбінною секцією та насосною частиною допускається невелике прослизання. При цьому підвищується плавність перемикання та ККД.

Регулює режими роботи електромагнітний клапан гідротрансформатора, а точніше, блок керування, який керує напругою живлення на клапані. Зміна сили струму на клапані регулює розподіл рідини між каналами та силу натиску поршня блокування. У виборі режиму блокування ЕБУ орієнтується на такі параметри:

• частота обертання колінчастого валу;

• швидкість обертання роторної секції;

• частота обертання вихідного валу АКП;

• фактичний крутний момент при заданому положенні дросельної заслінки;

• температура рідини коробки передач (АТF);

• задіяна передача (перелік включених пакетів фрикціонів, що визначає передатне число на вихідному валу).

Хоча блокування гідротрансформатора приносить відчутну економію палива, воно має деякі недоліки:

• прямий кінематичний зв'язок сприяє передачі ударних навантажень між двигуном та трансмісією;

• часте включення блокування призводить до зношування фрикціонів АКП;

• забруднення оливи АКП продуктами зносу фрикціонів блокування;

• погіршення плавності ходу під час перемикання передач АКП.